PL249474B1 - Method of producing composite elements with hybrid structure, a head for their production and a composite element with hybrid structure - Google Patents

Method of producing composite elements with hybrid structure, a head for their production and a composite element with hybrid structure

Info

Publication number
PL249474B1
PL249474B1 PL436814A PL43681421A PL249474B1 PL 249474 B1 PL249474 B1 PL 249474B1 PL 436814 A PL436814 A PL 436814A PL 43681421 A PL43681421 A PL 43681421A PL 249474 B1 PL249474 B1 PL 249474B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
head
printing
outer layer
fibers
composite
Prior art date
Application number
PL436814A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL436814A1 (en
Inventor
Maciej Piasecki
Original Assignee
Maciej Piasecki
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maciej Piasecki filed Critical Maciej Piasecki
Priority to PL436814A priority Critical patent/PL249474B1/en
Priority to EP22020028.1A priority patent/EP4035896B1/en
Publication of PL436814A1 publication Critical patent/PL436814A1/en
Publication of PL249474B1 publication Critical patent/PL249474B1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00Products made by additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205Means for applying layers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/227Driving means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/321Feeding
    • B29C64/336Feeding of two or more materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28Shaping operations therefor
    • B29C70/30Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/38Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/382Automated fiber placement [AFP]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29DPRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • B29D99/001Producing wall or panel-like structures, e.g. for hulls, fuselages, or buildings
    • B29D99/0014Producing wall or panel-like structures, e.g. for hulls, fuselages, or buildings provided with ridges or ribs, e.g. joined ribs
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00Materials specially adapted for additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29LINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2022/00Hollow articles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29LINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00Other particular articles
    • B29L2031/30Vehicles, e.g. ships or aircraft, or body parts thereof
    • B29L2031/3076Aircrafts
    • B29L2031/3085Wings
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29LINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00Other particular articles
    • B29L2031/30Vehicles, e.g. ships or aircraft, or body parts thereof
    • B29L2031/3091Bicycles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29LINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00Other particular articles
    • B29L2031/52Sports equipment ; Games; Articles for amusement; Toys
    • B29L2031/5245Rackets

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytowych elementów (1) lub (1') o strukturze hybrydowej, głowica do ich wytwarzania oraz element kompozytowy o strukturze hybrydowej, mające zastosowanie w przypadku wytwarzaniu komponentów o wymaganej wysokiej kierunkowej sztywności i wytrzymałości mechanicznej przy minimalnej masie. Istotą sposobu według wynalazku jest to, że w pierwszym etapie sposobu drukuje się w technologii druku 3D rdzeń konstrukcyjny o niejednorodnej strukturze, a następnie w drugim etapie sposobu na zewnętrznej powierzchni rdzenia konstrukcyjnego, drukuje się ciągłym włóknem w matrycy polimerowej w technologii 3D warstwę zewnętrzną.The invention provides a method for manufacturing composite elements (1) or (1') with a hybrid structure, a head for their production, and a composite element with a hybrid structure, applicable to the production of components with the required high directional stiffness and mechanical strength at minimal weight. The essence of the invention is that in the first stage of the method, a structural core with a heterogeneous structure is printed using 3D printing technology, and then in the second stage, an outer layer is printed on the outer surface of the structural core using continuous fiber in a polymer matrix using 3D technology.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytowych elementów o strukturze hybrydowej, głowica do ich wytwarzania oraz element kompozytowy o strukturze hybrydowej, mające zastosowanie w przypadku wytwarzania komponentów o wymaganej wysokiej kierunkowej sztywności i wytrzymałości mechanicznej przy minimalnej masie. Komponenty zawierające elementy kompozytowe o strukturze hybrydowej znajdują zastosowanie w przemyśle lotniczym, kosmicznym i motoryzacyjnym, a szczególnie nadają się do wytwarzania konstrukcji ram nośnych, wsporników i dźwigarów. Wynalazek znajduje praktyczne zastosowanie w procesie wytwarzania specjalistycznego sprzętu sportowego, którego elementy mają możliwość ugięcia dla amortyzacji, a szczególnie nadaje się do wytwarzania ram rowerowych, sprzętu narciarskiego, rakiet tenisowych itp.The invention is a method for manufacturing composite elements with a hybrid structure, a head for their production, and a composite element with a hybrid structure, applicable to the production of components with the required high directional stiffness and mechanical strength at minimal weight. Components containing composite elements with a hybrid structure are used in the aviation, space, and automotive industries, and are particularly suitable for the production of load-bearing frames, supports, and girders. The invention finds practical application in the production of specialized sports equipment, the components of which can deflect for shock absorption, and is particularly suitable for the production of bicycle frames, ski equipment, tennis rackets, and the like.

Dotychczas w celu uzyskania elementu kompozytowego składającego się z włókna o wysokich parametrach wytrzymałościowych przesączonego spoiwem konieczne było wykonanie formy na ten element, umiejscowienie w niej formatek tkanin przesączonych spoiwem i poddanie ich procesowi utwardzania. W celu uzyskania docisku stosuje się worek próżniowy lub w przypadku szczególnych elementów formatki tkaniny mogą być układane na rdzeniu na przykład ze spienionego tworzywa sztucznego który ułatwia ułożenie tkanin i może zapewniać docisk po zamknięciu w formie. Po utwardzeniu spoiwa rdzeń jest usuwany, przykładowo poprzez chemiczne rozpuszczenie. Ograniczeniem tej technologii jest czasochłonność procesu i wysoki koszt wykonania form.Previously, to obtain a composite element composed of high-strength fiber impregnated with a binder, it was necessary to create a mold for the element, place binder-impregnated fabric forms inside, and subject them to a curing process. A vacuum bag is used to achieve pressure, or for specific elements, the fabric forms can be placed on a core, for example, made of foamed plastic, which facilitates fabric alignment and can provide pressure when enclosed in the mold. After the binder has cured, the core is removed, for example, through chemical dissolution. A limitation of this technology is the time-consuming process and the high cost of mold making.

Znana jest również technologia druku 3D za pomocą ciągłego włókna gdzie pojedyncza wiązka włókna jest przesączana żywicą lub stopionym termoplastem i ekstrudowana przez głowicę drukującą (ang. Continuous Fibre Fused Deposition Modeling, FDM). Ograniczeniem tej technologii jest to że włókna układane są warstwa po warstwie jedynie w płaszczyźnie drukowania tzn. w płaszczyźnie poziomej, co w praktyce ogranicza zastosowanie tej metody do wytwarzania komponentów o wysokich parametrach wytrzymałościowych tylko w jednej płaszczyźnie.Continuous Fiber Fused Deposition Modeling (FDM) is another popular 3D printing technology, where a single filament bundle is infused with resin or molten thermoplastic and extruded through a print head. A limitation of this technology is that the filaments are laid down layer by layer only in the printing plane, i.e., horizontally. In practice, this method can only be used to produce components with high strength parameters in a single plane.

Znany jest również sposób w którym w jednym procesie drukowany jest z tworzywa termoplastycznego rdzeń o warstwach ułożonych w jednej płaszczyźnie (Fused Deposition Modeling, FDM), na który następnie może zostać ułożona warstwa ciągłego włókna już z możliwością kierunkowego układu włókien na powierzchni rdzenia. Ograniczeniem tej technologii jest to, że pozwala ona na uzyskanie jedynie komponentów o uproszczonych kształtach oraz to, że złożoność struktury rdzenia jest ograniczona, a jego masa jest znaczna.Another known method involves printing a thermoplastic core with layers arranged in a single plane in a single process (Fused Deposition Modeling, FDM). A layer of continuous fiber can then be placed on top of this core, allowing for directional fiber alignment on the core surface. The limitations of this technology are that it allows for only components with simplified shapes, and the core's structural complexity is limited, while its weight is significant.

Istotą sposobu wytwarzania elementów kompozytowych o strukturze hybrydowej, wykorzystującego sterowanie głowicą drukującą według algorytmów uprzednio przygotowanych do drukowania elementów w technologii 3D, jest to, że w pierwszym etapie sposobu drukuje się w technologii druku 3D rdzeń konstrukcyjny o niejednorodnej strukturze, zgodnie z modelem i algorytmem przystosowanym uprzednio dla wykonania niejednorodnej struktury rdzenia, a następnie w drugim etapie sposobu na zewnętrznej powierzchni rdzenia konstrukcyjnego, głowicą drukującą drukuje się ciągłym włóknem w matrycy polimerowej w technologii 3D warstwę zewnętrzną, której włókna układane są kierunkowo, zgodnie z modelem i algorytmem przystosowanymi uprzednio do sterowania ruchem głowicy drukującej dla wykonania warstwy zewnętrznej.The essence of the method for manufacturing composite elements with a hybrid structure, using the control of the printing head according to algorithms previously prepared for printing elements in 3D technology, is that in the first stage of the method, a structural core with a heterogeneous structure is printed using 3D printing technology, in accordance with the model and algorithm previously adapted for the production of a heterogeneous core structure, and then in the second stage of the method, on the outer surface of the structural core, the printing head prints an outer layer with a continuous fiber in a polymer matrix in 3D technology, the fibers of which are arranged directionally, in accordance with the model and algorithm previously adapted to control the movement of the printing head for the production of the outer layer.

Korzystnie w powierzchnię rdzenia konstrukcyjnego wbudowuje się włókna wykonane z materiału elektrokurczliwego typu sztuczny mięsień.Preferably, fibers made of an electroshrinkable material such as artificial muscle are incorporated into the surface of the structural core.

Korzystnie niejednorodną strukturę rdzenia konstrukcyjnego modeluje się i drukuje się według algorytmu uwzględniającego lokalne własności mechaniczne rdzenia konstrukcyjnego, zoptymalizowane względem kierunkowego ułożenia włókien w warstwie zewnętrznej i odnoszącego się do własności wytrzymałościowych warstwy zewnętrznej.Preferably, the non-uniform structure of the structural core is modeled and printed according to an algorithm that takes into account the local mechanical properties of the structural core, optimized with respect to the directional arrangement of the fibers in the outer layer and relating to the strength properties of the outer layer.

Korzystnie kierunkowe ułożenie włókien w warstwie zewnętrznej jest określone na etapie modelowania elementu kompozytowego z uwzględnieniem niejednorodnych własności mechanicznych rdzenia kompozytowego.The preferred directional arrangement of the fibers in the outer layer is determined at the stage of modeling the composite element, taking into account the non-uniform mechanical properties of the composite core.

Korzystnie drukowanie 3D rdzenia konstrukcyjnego odbywa się metodą proszkową.Preferably, 3D printing of the structural core is performed using the powder method.

Korzystnie sterowanie ruchem głowicy drukującej odbywa się poprzez jedno ramię robota, z którym głowica połączona jest mechanicznie i elektrycznie.Preferably, the movement of the print head is controlled by one robot arm to which the print head is connected mechanically and electrically.

Korzystnie sterowanie ruchem głowicy drukującej odbywa się poprzez dwa ramiona robota, z którymi jest naprzemiennie połączona mechanicznie i elektrycznie.Preferably, the movement of the print head is controlled by two robot arms, to which it is alternately connected mechanically and electrically.

Istotą głowicy do wytwarzania elementów kompozytowych o strukturze hybrydowej, umiejscowionej na ramieniu robota przemysłowego, który przeznaczony jest do realizacji drukowania elementów kompozytowych w technologii druku 3D, która to głowica wyposażona jest w zespół drukujący do drukowania włóknem ciągłym, jest to, że głowica według wynalazku ma co najmniej dwa przyłącza mechaniczne głowicy mocujące głowicę do jednego z ramion robota oraz ma co najmniej dwa elementy odbiorcze systemu do przesyłania energii. Każde z ramion robota wyposażone jest w element nadawczy systemu do przesyłania energii oraz w przyłącze mechaniczne ramienia, które jest kompatybilne z każdym z przyłączy mechanicznych głowicy, tworząc element mocujący głowicy.The essence of the head for manufacturing composite elements with a hybrid structure, located on an industrial robot arm designed for 3D printing of composite elements, which is equipped with a printing unit for continuous filament printing, is that the head according to the invention has at least two mechanical head connections that secure the head to one of the robot arms and at least two receiving elements of the energy transfer system. Each robot arm is equipped with a transmitting element of the energy transfer system and a mechanical arm connection that is compatible with each of the mechanical head connections, forming the head's mounting element.

Korzystnie elementem mocującym głowicę do ramienia robota jest chwytak pneumatyczny lub chwytak magnetyczny.Preferably, the element securing the head to the robot arm is a pneumatic gripper or a magnetic gripper.

Korzystnie element odbiorczy systemu do przesyłania energii i element nadawczy systemu do przesyłania energii stanowią układy stykowe lub układy bezprzewodowe.Preferably, the receiving element of the energy transmission system and the transmitting element of the energy transmission system are contact systems or wireless systems.

Korzystnie głowica zawiera zespół drukujący, który przystosowany jest do drukowania tylko jednym rodzajem włókna o konkretnych własnościach mechanicznych, zaś dla każdego innego rodzaju włókna stosuje się oddzielną głowicę lub głowice, które stosuje się wymiennie.Preferably, the head comprises a printing unit that is adapted to print only one type of fiber with specific mechanical properties, while for each other type of fiber a separate head or heads are used, which are used interchangeably.

Istotą elementu kompozytowego o strukturze hybrydowej, mającego postać komponentu przestrzennego o zadanym kształcie jest to, że zawiera rdzeń konstrukcyjny stanowiący szkielet komponentu przestrzennego, mający postać niejednorodnej przestrzennej struktury wykonanej w technologii druku 3D, na którym usytuowana jest trwale warstwa zewnętrzna mająca włókna ukierunkowane, związane matrycą polimerową. Warstwa zewnętrzna wykonana jest w technologii druku 3D włóknem ciągłym.The essence of a hybrid composite element, which takes the form of a three-dimensional component with a predetermined shape, is that it contains a structural core constituting the framework of the three-dimensional component, in the form of a heterogeneous three-dimensional structure manufactured using 3D printing technology, on which a permanently placed outer layer is made of directional fibers bound by a polymer matrix. The outer layer is manufactured using 3D printing technology using continuous fibers.

Korzystnie rdzeń konstrukcyjny zawiera dodatkowe włókna wykonane z materiału elektrokurczliwego typu sztuczny mięsień, które wkomponowane są w powierzchnię rdzenia.Preferably, the structural core contains additional fibers made of an electroshrinkable material such as artificial muscle, which are incorporated into the surface of the core.

Korzystnie rdzeń konstrukcyjny wykonany jest z tworzywa przystosowanego do utworzenia trwałego połączenia z matrycą polimerową warstwy zewnętrznej.Preferably, the structural core is made of a material adapted to create a permanent connection with the polymer matrix of the outer layer.

Korzystnie tworzywo, z którego wykonany jest rdzeń konstrukcyjny jest identyczne z matrycą polimerową warstwy zewnętrznej.Preferably, the material from which the structural core is made is identical to the polymer matrix of the outer layer.

Korzystnie warstwa zewnętrzna zawiera usytuowane w matrycy polimerowej różne rodzaje włókien, o różnych parametrach mechanicznych.Preferably, the outer layer contains different types of fibers with different mechanical parameters located in a polymer matrix.

Korzystnie włókna warstwy zewnętrznej stanowią co najmniej dwa rodzaje wybrane spośród włókien szklanych, węglowych, aramidowych, lnianych, bazaltowych lub konopnych.Preferably, the outer layer fibers are at least two types selected from glass, carbon, aramid, flax, basalt or hemp fibers.

Zaletą sposobu według wynalazku jest to, że umożliwia się wykonywanie kompozytowych elementów o strukturze hybrydowej o własnościach mechanicznych przewyższających elementy kompozytowe wykonywane przy użyciu form, a brak konieczności wykonywania kosztownych form pozwala na znaczne oszczędności podczas produkcji tych elementów. Ponadto brak użycia form umożliwia znaczne przyspieszenie cyklu produkcyjnego.The advantage of the method according to the invention is that it enables the production of composite elements with a hybrid structure with mechanical properties superior to composite elements made using molds. The absence of the need for expensive molds allows for significant savings in the production of these elements. Furthermore, the absence of molds significantly accelerates the production cycle.

W porównaniu do znanych technologii druku 3D zaletą sposobu wg wynalazku jest to, że umożliwia wykonanie komponentów o złożonych kształtach np. dowolne przewieszki (ang. overhangs), kształty zamknięte, jak np. torus i o dowolnym kierunku ułożenia włókien na powierzchni komponentu.Compared to known 3D printing technologies, the advantage of the method according to the invention is that it allows the production of components with complex shapes, e.g. any overhangs, closed shapes such as a torus and with any direction of fiber arrangement on the component surface.

Zaletą głowicy według wynalazku jest jej konstrukcja pozwalająca na obniżenie jej masy i jej zminiaturyzowanie, co z kolei umożliwia zastosowanie do jej prowadzenia robota o mniejszym udźwigu i ograniczenie zużycia energii w procesie. Jest to możliwa dzięki temu, że zamiast stosowania jednej dużej głowicy wyposażonej w skomplikowany system zasobników różnych rodzajów włókien, możliwe jest zastosowanie wielu głowic dołączanych do ramienia lub ramion robota przemysłowego, gdzie poszczególne głowice mogą być wyposażone w różne rodzaje włókien, o różnych własnościach mechanicznych. Rozłączne połączenie głowicy i ramienia lub ramion robota przemysłowego umożliwia odłączanie i dołączanie głowicy ramienia robota w trakcie procesu drukowania, co dodatkowo umożliwia wytworzenia elementów o bardziej złożonych kształtach lub takich zawierających fragmenty zamknięte, przykładowo jak torus, lub trójkąt ramy rowerowej, niemożliwych do wykonania w przypadku zastosowania głowicy trwale przyłączonej do ramienia robota.The advantage of the head according to the invention is its design, which allows for a reduced weight and miniaturization, which in turn allows for the use of a robot with a smaller payload and reduced energy consumption in the process. This is possible because instead of using a single large head equipped with a complex system of dispensers for different fiber types, it is possible to use multiple heads attached to an industrial robot arm or arms, where individual heads can be equipped with different fiber types with different mechanical properties. The detachable connection of the head and the industrial robot arm or arms allows for the removal and reattachment of the robot arm head during the printing process, which additionally enables the production of components with more complex shapes or those containing closed sections, such as a torus or a bicycle frame triangle, which would be impossible to produce using a head permanently attached to the robot arm.

Zaletą elementu kompozytowego o strukturze hybrydowej według wynalazku jest to, że kierunkowe ułożenie włókien warstwy zewnętrznej elementu w połączeniu z niejednorodnym rozkładem struktury rdzenia konstrukcyjnego pozwala na zwiększenie jego wytrzymałości, ponieważ fragmenty elementu poddawane większym obciążeniom mechanicznym cechują się większym zagęszczeniem materiału w strukturze rdzenia konstrukcyjnego. Obecność rdzenia konstrukcyjnego w elemencie kompozytowym powoduje, że warstwa zewnętrzna elementu, niezbędna do uzyskania wymaganej wytrzymałości mechanicznej może być cieńsza niż w przypadku braku takiego rdzenia. Ponadto zaletą kompozytowego elementu o strukturze hybrydowej jest to, że poprzez odpowiedni układ włókien w warstwie ze wnętrznej oraz dobór usieciowania struktury rdzenia konstrukcyjnego można uzyskać element cechujący się wysoką elastycznością w ściśle zdefiniowanych kierunkach, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sztywności w innych zdefiniowanych kierunkach.The advantage of the composite element with a hybrid structure according to the invention is that the directional fiber arrangement of the element's outer layer, combined with the heterogeneous distribution of the structural core structure, allows for increased strength, as the element's portions subjected to greater mechanical loads are characterized by a higher material density in the structural core structure. The presence of a structural core in the composite element means that the outer layer of the element, necessary to achieve the required mechanical strength, can be thinner than without such a core. Another advantage of a composite element with a hybrid structure is that through the appropriate fiber arrangement in the outer layer and the selection of the structural core structure's cross-linking, a component can be achieved that is highly flexible in precisely defined directions while maintaining high stiffness in other defined directions.

W przypadku kompozytowego elementu o strukturze hybrydowej, który wyposażony jest w włókna typu sztuczny mięsień, które sterowane są poprzez impulsy elektryczne, uzyskuje się element uginający się w kierunkach o zadanej, wysokiej elastyczności. Przykładem zastosowania takiego elementu może być skrzydło samolotu, którym można sterować poprzez ugięcie szkieletowe profilu, zamiast stosowania ruchomych klap i lotek, co umożliwia uproszczenie konstrukcji skrzydła, zmniejszenie jego masy i poprawienie doskonałości aerodynamicznej skrzydła.In the case of a composite element with a hybrid structure equipped with artificial muscle fibers controlled by electrical impulses, the resulting element bends in a predetermined, highly flexible direction. An example of such an element's application is an aircraft wing, which can be controlled by skeletal deflection of the airfoil instead of using movable flaps and ailerons. This simplifies the wing's structure, reduces its weight, and improves its aerodynamic efficiency.

Wynalazek jest przedstawiony w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie realizację sposobu przy użyciu głowicy drukującej zamocowanej do jednego z ramion robota przemysłowego w trakcie drukowania warstwy zewnętrznej elementu kompozytowego, przy drugim ramieniu robota przejmującym głowicę drukującą od ramienia pierwszego, zaznaczonym linią przerywaną, fig. 2 przedstawia schematycznie budowę głowicy drukującej, fig. 3 przedstawia przykładowy kompozytowy element o strukturze hybrydowej 1 w pierwszej postaci wykonania wynalazku dla fragmentu ramy rowerowej, a fig. 4 przedstawia przykładowy kompozytowy element o strukturze hybrydowej 1’ w drugiej postaci wykonania wynalazku dla fragmentu ramy rowerowej.The invention is presented in an exemplary embodiment in the drawing, in which Fig. 1 schematically shows the implementation of the method using a printing head attached to one of the arms of an industrial robot during printing of the outer layer of a composite element, with the second arm of the robot taking over the printing head from the first arm, marked with a dashed line, Fig. 2 schematically shows the structure of the printing head, Fig. 3 shows an exemplary composite element with a hybrid structure 1 in the first embodiment of the invention for a fragment of a bicycle frame, and Fig. 4 shows an exemplary composite element with a hybrid structure 1' in the second embodiment of the invention for a fragment of a bicycle frame.

Sposób wytwarzania elementu kompozytowego o strukturze hybrydowej 1 rozpoczyna się od wytworzenia rdzenia konstrukcyjnego 1a metodą druku 3D, co nie jest uwidocznione na rysunku. Korzystnie rdzeń uzyskuje się w technologii druku proszkowego: SLS (ang. Selective Laser Sintering, Binder Jetting itp.), która umożliwia wydruk złożonych struktur nieograniczonych koniecznością stosowania podpór. w przypadku wytwarzania elementu kompozytowego o strukturze hybrydowej 1’ na powierzchni rdzenia 1’a wbudowuje się dodatkowo włókna elektrokurczliwe typu sztuczny mięsień 1c, co przeprowadza się przykładowo poprzez ich ułożenie w zagłębieniach na powierzchni rdzenia 1’a przewidzianych na etapie projektowania i wykonanych w procesie drukowania rdzenia 1’a. Po wytworzeniu rdzenia konstrukcyjnego 1a lub 1’a, drugim etapem sposobu wytwarzania elementu kompozytowego 1 lub 1’ o strukturze hybrydowej jest utworzenie warstwy zewnętrznej 1b, co jest przedstawione na fig. 1. Etap drugi przeprowadza się metodą druku 3D ciągłym włóknem (ang. Continuous Fibre 3dp) przesyconym spoiwem i za pomocą głowicy drukującej 2, przyłączonej do ramienia robota 3, sterowanego komputerowo w taki sposób aby głowica 2 układała włókna kompozytowe na powierzchni rdzenia konstrukcyjnego 1a lub 1’a kierunkowo w sposób zgodny z uprzednio przygotowanym procesem sterowania i algorytmem tego procesu.The method of manufacturing a composite element with a hybrid structure 1 begins with the production of a structural core 1a using a 3D printing method, which is not shown in the drawing. Preferably, the core is obtained using powder printing technology: SLS (Selective Laser Sintering, Binder Jetting, etc.), which enables the printing of complex structures not limited by the need for supports. In the case of manufacturing a composite element with a hybrid structure 1', additional electroshrinkable fibers of the artificial muscle type 1c are incorporated into the surface of the core 1'a, which is carried out, for example, by placing them in recesses on the surface of the core 1'a, planned at the design stage and created during the process of printing the core 1'a. After manufacturing the structural core 1a or 1'a, the second stage of the method of manufacturing the composite element 1 or 1' with a hybrid structure is the formation of the outer layer 1b, which is shown in Fig. 1. The second stage is carried out by means of 3D printing with a continuous fiber (Continuous Fiber 3dp) saturated with a binder and using a printing head 2 connected to a robot arm 3, computer-controlled in such a way that the head 2 arranges the composite fibers on the surface of the structural core 1a or 1'a directionally in a manner consistent with the previously prepared control process and algorithm of this process.

W przypadku konieczności wytworzenia elementów o bardziej złożonych kształtach lub zawierających fragmenty zamknięte takie jak np. torus, lub trójkąt ramy rowerowej konieczne jest aby w procesie wydruku uczestniczyły co najmniej dwa ramiona 3 i 3a robotów a głowica drukująca 2 była do nich przyłączana naprzemiennie.If it is necessary to produce elements with more complex shapes or containing closed parts, such as a torus or a triangle of a bicycle frame, it is necessary for at least two robot arms 3 and 3a to be involved in the printing process and for the printing head 2 to be connected to them alternately.

Korzystnie materiał użyty do wydruku rdzenia jest identyczny z materiałem spoiwa warstwy zewnętrznej 1b, wytwarzanej w drugim etapie procesu, w celu zapewnienia najlepszego połączenia rdzenia 1a lub 1’a i warstwy zewnętrznej 1b. Korzystnie materiałem konstrukcyjnym rdzenia 1a lub 1’a i spoiwem warstwy zewnętrznej 1b jest tworzywo termoplastyczne, które oprócz korzystnych własności mechanicznych cechuje łatwość procesu przetwórstwa wtórnego. Przykładowo spoiwem takim jest poliamid (PA), ABS (ang. Acrylonitrile butadiene styrene), PET (ang. Polyethylene terephthalate), PLA (ang. polylactide).Preferably, the material used to print the core is identical to the binder material of the outer layer 1b, produced in the second stage of the process, in order to ensure the best connection of the core 1a or 1'a and the outer layer 1b. Preferably, the structural material of the core 1a or 1'a and the binder of the outer layer 1b is a thermoplastic material which, in addition to favorable mechanical properties, is characterized by ease of recycling. For example, such a binder is polyamide (PA), ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PET (Polyethylene terephthalate), PLA (Polylactide).

Głowica drukująca 2 do wytwarzania kompozytowych elementów o strukturze hybrydowej 1 lub 1’ umiejscowiona na co najmniej jednym ramieniu 3, 3a robota przemysłowego (fig. 1 ), który przeznaczony jest do realizacji drukowania elementów kompozytowych w technologii druku 3D włóknem ciągłym. Głowica 2 wyposażona jest w co najmniej dwa elementy mocujące w postaci przyłączy mechanicznych głowicy 4b, umożliwiające odłączanie jej poprzez przyłącze mechaniczne ramienia 4a od jednego ramienia robota przykładowo 3 i przyłączanie jej do drugiego ramienia 3a w trakcie trwania procesu drukowania. Przyłącze mechaniczne głowicy 4b i przyłącze mechaniczne ramienia 4a po połączeniu tworzą elementy mocujące 4, które umożliwiają zarówno montaż mechaniczny głowicy 2 do ramion robota przemysłowego jak również zasilanie elektryczne głowicy 2 i sterowanie jej pracą. W celu zapewnienia łatwego odłączania i dołączania głowicy w trakcie trwania procesu drukowania korzystnie przyłącze mechaniczne 4 ma postać chwytaka magnetycznego lub chwytaka pneumatycznego. Dostarczanie energii zasilającej głowicę odbywa się za pomocą jednego z dwóch przyłączy elektrycznych 5, zawierających część nadawczą 5a, znajdującą się po stronie ramienia 3 lub 3a robota oraz część odbiorczą 5b znajdującą się w głowicy 2 tworząc układ nadawczo-odbiorczy. Układ ten może stanowić zespół styków elektrycznych. Korzystnie układ nadawczo-odbiorczy jest bezprzewodowym systemem przesyłania energii elektrycznej, przykładowo jest to układ indukcyjny lub układ pojemnościowy. Głowica wyposażona jest w znany zespół drukujący 6 do drukowania włóknem ciągłym, zawierający dyszę ekstrudującą, zasobnik włókna oraz zasobnik polimeru.A printing head 2 for manufacturing composite elements with a hybrid structure 1 or 1' is located on at least one arm 3, 3a of an industrial robot (fig. 1), which is designed to print composite elements using continuous filament 3D printing technology. The head 2 is equipped with at least two mounting elements in the form of mechanical head connections 4b, enabling its disconnection via a mechanical connection of arm 4a from one robot arm, for example 3, and its connection to the other arm 3a during the printing process. The mechanical connection of head 4b and the mechanical connection of arm 4a, when connected, form mounting elements 4, which enable both mechanical mounting of head 2 to the industrial robot arms as well as electrical power supply of head 2 and control of its operation. To ensure easy disconnection and connection of the head during the printing process, the mechanical connection 4 is preferably in the form of a magnetic gripper or a pneumatic gripper. The power supply to the head is provided by means of one of two electrical connections 5, comprising a transmitting part 5a located on the side of the robot arm 3 or 3a and a receiving part 5b located in the head 2, forming a transmitting-receiving system. This system may be a set of electrical contacts. Preferably, the transmitting-receiving system is a wireless electrical power transmission system, for example, an inductive system or a capacitive system. The head is equipped with a known printing unit 6 for continuous filament printing, comprising an extruding nozzle, a filament reservoir, and a polymer reservoir.

Przykładowy kompozytowy element o strukturze hybrydowej w pierwszej postaci wykonania wynalazku 1 ma rdzeń konstrukcyjny 1a o niejednorodnej strukturze, zdefiniowanej na etapie projektowania elementu kompozytowego. Struktura ta na fig. 3 uwidoczniona jest w postaci stelaża stanowiącego układ przestrzenny, który pokryty jest warstwą zewnętrzną 1b. Niejednorodna struktura rdzenia przejawia się tym, że struktura ma charakter sieci przestrzennej której zaplot, długości segmentów, oraz zagęszczenie materiału są różne w różnych fragmentach rdzenia w taki sposób aby uzyskać pożądane lokalne parametry mechaniczne tj. sztywność, tłumienie drgań itp. Warstwa zewnętrzna 1b jest kompozytem zawierającym włókna związane matrycą polimerową, które rozmieszczone są w tej warstwie w sposób ukierunkowany. Ukierunkowanie włókien nadaje warstwie zewnętrznej szczególne cechy, które w sposób zdecydowany poprawiają jakość elementu kompozytowego 1. Hybrydowa struktura elementu kompozytowego 1, zawierająca niejednorodną strukturę rdzenia 1 a oraz warstwę zewnętrzną 1b z ukierunkowanymi włóknami, stanowi przestrzenny komponent o zadanym kształcie wykonany dwoma różnymi technologiami druku 3D. Własności mechaniczne i wytrzymałościowe tak wykonanego komponentu są zdecydowanie ulepszone w stosunku do komponentów jednolitych, wykonanych w technologii druku 3D. Warstwa zewnętrzna 1b mająca włókna ukierunkowane związane matrycą polimerową, wykonana jest w technologii druku 3D ciągłym włóknem. Rdzeń konstrukcyjny 1a wykonany jest z tworzywa przystosowanego do utworzenia trwałego połączenia z matrycą polimerową warstwy zewnętrznej 1b. Tworzywo, z którego wykonany jest rdzeń konstrukcyjny 1a może być identyczne z matrycą polimerową warstwy zewnętrznej 1b w celu uzyskania najlepszego połączenia rdzenia konstrukcyjnego i warstwy zewnętrznej. W takim przypadku dodatkowo proces przetwórstwa wtórnego elementu w celu jego utylizacji zostaje znacznie uproszczony. Warstwa zewnętrzna 1b może zawierać różne rodzaje włókien o różnych parametrach mechanicznych, a włókna mogą być wybrane spośród na przykład włókien szklanych, węglowych, aramidowych, lnianych, bazaltowych lub konopnych.An exemplary composite element with a hybrid structure in the first embodiment of the invention 1 has a structural core 1a with a heterogeneous structure, defined at the design stage of the composite element. This structure is shown in Fig. 3 as a frame constituting a spatial arrangement, which is covered with an outer layer 1b. The heterogeneous structure of the core manifests itself in the fact that the structure has the character of a spatial network, the weave, segment lengths, and material density of which vary in different parts of the core so as to obtain the desired local mechanical parameters, i.e., stiffness, vibration damping, etc. The outer layer 1b is a composite containing fibers bonded by a polymer matrix, which are arranged in a directional manner in this layer. The fiber orientation imparts special characteristics to the outer layer, significantly improving the quality of composite element 1. The hybrid structure of composite element 1, comprising a heterogeneous core structure 1a and an outer layer 1b with oriented fibers, constitutes a three-dimensional component with a predetermined shape manufactured using two different 3D printing technologies. The mechanical and strength properties of this component are significantly improved compared to uniform components manufactured using 3D printing technology. The outer layer 1b, with oriented fibers bonded by a polymer matrix, is manufactured using continuous fiber 3D printing technology. The structural core 1a is made of a material adapted to form a permanent bond with the polymer matrix of the outer layer 1b. The material from which the structural core 1a is made can be identical to the polymer matrix of the outer layer 1b to achieve the best possible bond between the structural core and the outer layer. In this case, the recycling process for the element is significantly simplified. The outer layer 1b may comprise different types of fibers with different mechanical parameters, and the fibers may be selected from, for example, glass, carbon, aramid, flax, basalt or hemp fibers.

Przykładowy kompozytowy element o strukturze hybrydowej w drugiej postaci wykonania wynalazku 1’ ma rdzeń konstrukcyjny 1’a o niejednorodnej strukturze, takiej jak w pierwszej postaci wykonania wynalazku. Struktura ta na fig. 4 uwidoczniona jest w postaci stelaża stanowiącego układ przestrzenny, na którego powierzchni, w kierunkach podatnych na ugięcia, wkomponowane są włókna 1c z materiału elektrokurczliwego typu sztuczny mięsień (ang. artificial muscle), które to włókna sterowane są przykładowo za pomocą impulsów elektrycznych, przy czym zarówno połączenia elektryczne włókien 1c jak i ich układ sterowania nie są uwidocznione na rysunku. Rdzeń 1’a wraz włóknami 1c pokryty jest warstwą zewnętrzną 1b. Warstwa zewnętrzna 1b jest kompozytem zawierającym włókna związane matrycą polimerową, które rozmieszczone są w tej warstwie w sposób ukierunkowany, tak jak w pierwszej postaci wykonania wynalazku. Włókna typu sztuczny mięsień 1c oraz ich układ na rdzeniu 1’a definiuje się również na etapie projektowania kompozytowego elementu o strukturze hybrydowej 1’ w taki sposób, żeby kurczenie się i rozszerzanie włókien 1c wpływało na ugięcie elementu kompozytowego 1’ w kierunkach o zdefiniowanej wysokiej elastyczności.An exemplary composite element with a hybrid structure in the second embodiment of the invention 1' has a structural core 1'a with a heterogeneous structure, such as in the first embodiment of the invention. This structure is shown in Fig. 4 as a frame constituting a spatial arrangement, on the surface of which, in directions susceptible to deflection, fibers 1c made of electroshrinkable material of the artificial muscle type are incorporated, these fibers being controlled, for example, by means of electrical pulses, wherein neither the electrical connections of the fibers 1c nor their control system are shown in the drawing. The core 1'a together with the fibers 1c are covered with an outer layer 1b. The outer layer 1b is a composite containing fibers bonded with a polymer matrix, which are arranged in this layer in a directed manner, as in the first embodiment of the invention. The artificial muscle fibers 1c and their arrangement on the core 1'a are also defined at the design stage of the composite element with a hybrid structure 1' in such a way that the contraction and expansion of the fibers 1c influence the deflection of the composite element 1' in directions with a defined high elasticity.

Claims (17)

1. Sposób wytwarzania elementów kompozytowych o strukturze hybrydowej za pomocą głowicy drukującej wykorzystujący modelowanie komputerowe dla wytwarzanych elementów kompozytowych i sterowanie głowicą drukującą według algorytmów uprzednio przygotowanych do drukowania elementów w technologii 3D, znamienny tym, że w pierwszym etapie sposobu drukuje się w technologii druku 3D rdzeń konstrukcyjny (1a) lub (1’a) o niejednorodnej strukturze zgodnie z modelem i algorytmem przystosowanym uprzednio dla wykonania niejednorodnej struktury rdzenia, a następnie w drugim etapie sposobu, na zewnętrznej powierzchni rdzenia konstrukcyjnego (1a) lub (1’a), głowicą drukującą (2) drukuje się ciągłym włóknem w matrycy polimerowej w technologii 3D warstwę zewnętrzną (1b), której włókna układane są kierunkowo, zgodnie z modelem i algorytmem przystosowanymi uprzednio do sterowania ruchem głowicy drukującej (2) dla wykonania warstwy zewnętrznej (1b).1. A method of manufacturing composite elements with a hybrid structure using a printing head using computer modeling for the manufactured composite elements and controlling the printing head according to algorithms previously prepared for printing elements in 3D technology, characterized in that in the first stage of the method, a structural core (1a) or (1'a) with a heterogeneous structure is printed in 3D printing technology in accordance with a model and algorithm previously adapted for making a heterogeneous core structure, and then in the second stage of the method, on the outer surface of the structural core (1a) or (1'a), the printing head (2) prints an outer layer (1b) with a continuous fiber in a polymer matrix in 3D technology, the fibers of which are arranged directionally in accordance with a model and algorithm previously adapted for controlling the movement of the printing head (2) to make the outer layer (1b). 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w powierzchnię rdzenia konstrukcyjnego (1’a) wbudowuje się dodatkowe włókna (1c) wykonane z materiału elektrokurczliwego typu sztuczny mięsień.2. A method according to claim 1, characterized in that additional fibers (1c) made of an electroshrinkable material of the artificial muscle type are incorporated into the surface of the structural core (1'a). 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że niejednorodną strukturę rdzenia konstrukcyjnego (1a) lub (1 ’a) modeluje się i drukuje się według algorytmu uwzględniającego lokalne własności mechaniczne rdzenia konstrukcyjnego (1a) lub (1’a) odpowiednio, zoptymalizowane względem kierunkowego ułożenia włókien w warstwie zewnętrznej (1b) i odnoszącego się do własności wytrzymałościowych warstwy zewnętrznej (1b).3. A method according to claim 1, characterized in that the inhomogeneous structure of the structural core (1a) or (1 'a) is modeled and printed according to an algorithm taking into account the local mechanical properties of the structural core (1a) or (1 'a), respectively, optimized with respect to the directional arrangement of the fibers in the outer layer (1b) and relating to the strength properties of the outer layer (1b). 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kierunkowe ułożenie włókien w warstwie zewnętrznej (1b) jest określone na etapie modelowania elementu kompozytowego (1) lub (1’) z uwzględnieniem niejednorodnych własności mechanicznych rdzenia kompozytowego (1a) lub (1’a) odpowiednio.4. A method according to claim 1, characterized in that the directional arrangement of the fibers in the outer layer (1b) is determined at the stage of modeling the composite element (1) or (1') taking into account the non-uniform mechanical properties of the composite core (1a) or (1'a), respectively. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że drukowanie 3D rdzenia konstrukcyjnego (1a) lub (1’a) odbywa się metodą proszkową.5. The method according to claim 1, characterized in that the 3D printing of the structural core (1a) or (1'a) is performed using the powder method. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sterowanie ruchem głowicy drukującej (2) odbywa się poprzez jedno ramię (3) robota, z którym głowica (2) połączona jest mechanicznie i elektrycznie.6. A method according to claim 1, characterized in that the movement of the printing head (2) is controlled by one robot arm (3) to which the head (2) is mechanically and electrically connected. 7. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że sterowanie ruchem głowicy drukującej (2) odbywa się poprzez dwa ramiona (3) i (3a) robota, z którymi głowica (2) jest naprzemiennie połączona mechanicznie i elektrycznie.7. The method according to claim 1, characterized in that the control of the movement of the printing head (2) is performed by two arms (3) and (3a) of the robot, to which the head (2) is alternately connected mechanically and electrically. 8. Głowica do wytwarzania elementów kompozytowych o strukturze hybrydowej, umiejscowiona na ramieniu (3) i/lub (3a) robota przemysłowego, który przeznaczony jest do realizacji drukowania elementów kompozytowych w technologii druku 3D, która wyposażona jest w zespół drukujący do drukowania włóknem ciągłym, znamienna tym, że ma co najmniej dwa przyłącza mechaniczne głowicy (4b), mocujące głowicę (2) do jednego z ramion robota (3) lub (3a) oraz ma co najmniej dwa elementy odbiorcze (5b) systemu do przesyłania energii (5), a każde z ramion (3) lub (3a) robota wyposażone jest w element nadawczy (5a) systemu do przesyłania energii oraz w przyłącze mechaniczne ramienia (4a), kompatybilne z każdym z przyłączy mechanicznych (4b) głowicy (2), które po połączeniu stanowią element mocujący głowicy (4).8. A head for manufacturing composite elements with a hybrid structure, located on the arm (3) and/or (3a) of an industrial robot, which is intended for printing composite elements using 3D printing technology, which is equipped with a printing unit for continuous filament printing, characterized in that it has at least two mechanical head connections (4b) securing the head (2) to one of the robot arms (3) or (3a) and has at least two receiving elements (5b) of the energy transfer system (5), and each of the robot arms (3) or (3a) is equipped with a transmitting element (5a) of the energy transfer system and a mechanical arm connection (4a) compatible with each of the mechanical connections (4b) of the head (2), which after connection constitute a mounting element of the head (4). 9. Głowica według zastrz. 8, znamienna tym, że elementem mocującym (4) głowicę (2) do ramienia (3) lub (3a) robota jest chwytak pneumatyczny lub chwytak magnetyczny.9. The head according to claim 8, characterized in that the element (4) fastening the head (2) to the robot arm (3) or (3a) is a pneumatic gripper or a magnetic gripper. 10. Głowica według zastrz. 8 znamienna tym, że element odbiorczy (5b) systemu do przesyłania energii (5) i element nadawczy (5a) systemu do przesyłania energii (5) stanowią układy stykowe lub układy bezprzewodowe.10. The head according to claim 8, characterized in that the receiving element (5b) of the energy transmission system (5) and the transmitting element (5a) of the energy transmission system (5) are contact systems or wireless systems. 11. Głowica według zastrz. 8 znamienna tym, że zawiera zespół drukujący (6), który przystosowany jest do drukowania tylko jednym rodzajem włókna o konkretnych własnościach mechanicznych, zaś dla każdego innego rodzaju włókna stosuje się oddzielną głowicę lub głowice, które stosuje się wymiennie.11. The head according to claim 8, characterized in that it comprises a printing unit (6) adapted to print only one type of fiber with specific mechanical properties, and for each other type of fiber a separate head or heads are used, which are used interchangeably. 12. Element kompozytowy o strukturze hybrydowej, mający postać komponentu przestrzennego o zadanym kształcie (1, 1’), znamienny tym, że zawiera rdzeń konstrukcyjny (1a, 1’a), stanowiący szkielet komponentu przestrzennego, mający postać niejednorodnej przestrzennej struktury wykonanej w technologii druku 3D, na którym usytuowana jest trwale warstwa zewnętrzna (1b) mająca włókna ukierunkowane, związane matrycą polimerową, która to warstwa zewnętrzna (1b) wykonana jest w technologii druku 3D włóknem ciągłym.12. A composite element with a hybrid structure, having the form of a three-dimensional component with a given shape (1, 1'), characterized in that it comprises a structural core (1a, 1'a), constituting a skeleton of the three-dimensional component, having the form of a non-uniform three-dimensional structure made using 3D printing technology, on which an outer layer (1b) with directed fibers, bound with a polymer matrix, is permanently located, said outer layer (1b) being made using 3D printing technology with continuous fibers. 13. Element kompozytowy według zastrz. 12, znamienny tym, że rdzeń konstrukcyjny (1’a) zawiera dodatkowe włókna wykonane z materiału elektrokurczliwego typu sztuczny mięsień, które wkomponowane są w powierzchnię rdzenia (1’a).13. A composite element according to claim 12, characterized in that the structural core (1'a) contains additional fibers made of an electroshrinkable material of the artificial muscle type, which are incorporated into the surface of the core (1'a). 14. Element kompozytowy według zastrz. 12, znamienny tym, że rdzeń konstrukcyjny (1a, 1’a) wykonany jest z tworzywa przystosowanego do utworzenia trwałego połączenia z matrycą polimerową warstwy zewnętrznej (1b).14. A composite element according to claim 12, characterized in that the structural core (1a, 1'a) is made of a material adapted to form a permanent connection with the polymer matrix of the outer layer (1b). 15. Element kompozytowy według zastrz. 12, znamienny tym, że tworzywo, z którego wykonany jest rdzeń konstrukcyjny (1a, 1’a) jest identyczne z matrycą polimerową warstwy zewnętrznej (1b).15. A composite element according to claim 12, characterized in that the material from which the structural core (1a, 1'a) is made is identical to the polymer matrix of the outer layer (1b). 16. Element kompozytowy według zastrz. 12, znamienny tym, że warstwa zewnętrzna (1b) zawiera różne rodzaje włókien o różnych parametrach mechanicznych.16. A composite element according to claim 12, characterized in that the outer layer (1b) contains different types of fibers with different mechanical parameters. PL 249474 Β1PL 249474 Β1 17. Element kompozytowy według zastrz. 16, znamienny tym, że włókna warstwy zewnętrznej (1 b) stanowią co najmniej dwa rodzaje wybrane spośród włókien szklanych, węglowych, aramidowych, lnianych, bazaltowych lub konopnych.17. A composite element according to claim 16, characterized in that the fibers of the outer layer (1 b) are at least two types selected from glass, carbon, aramid, flax, basalt or hemp fibers.
PL436814A 2021-01-31 2021-01-31 Method of producing composite elements with hybrid structure, a head for their production and a composite element with hybrid structure PL249474B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL436814A PL249474B1 (en) 2021-01-31 2021-01-31 Method of producing composite elements with hybrid structure, a head for their production and a composite element with hybrid structure
EP22020028.1A EP4035896B1 (en) 2021-01-31 2022-01-30 A method of manufacturing composite elements with a hybrid structure, the print head for their manufacturing, and the composite element of a hybrid structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL436814A PL249474B1 (en) 2021-01-31 2021-01-31 Method of producing composite elements with hybrid structure, a head for their production and a composite element with hybrid structure

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL436814A1 PL436814A1 (en) 2022-08-01
PL249474B1 true PL249474B1 (en) 2026-04-27

Family

ID=80118919

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL436814A PL249474B1 (en) 2021-01-31 2021-01-31 Method of producing composite elements with hybrid structure, a head for their production and a composite element with hybrid structure

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4035896B1 (en)
PL (1) PL249474B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI847661B (en) * 2023-02-14 2024-07-01 滙歐科技開發股份有限公司 Manufacturing method for continuous fiber composites frame

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7939003B2 (en) * 2004-08-11 2011-05-10 Cornell Research Foundation, Inc. Modular fabrication systems and methods
CN106163771B (en) * 2013-11-13 2019-01-11 Abb瑞士股份有限公司 Method and system for robot 3D printing
US9782938B2 (en) * 2014-03-21 2017-10-10 The Boeing Company Manufacturing system for composite structures
DE102017214340A1 (en) * 2017-08-17 2019-02-21 Airbus Operations Gmbh Process for producing a sandwich component, core for a sandwich component and sandwich component
CN108454131B (en) * 2017-12-28 2024-04-05 中国空间技术研究院 Artificial muscle material with fiber
US11814324B2 (en) * 2019-07-18 2023-11-14 Northrop Grumman Systems Corporation Additive manufacturing methods for forming high-temperature composite structures and related structures

Also Published As

Publication number Publication date
PL436814A1 (en) 2022-08-01
EP4035896A3 (en) 2022-12-21
EP4035896B1 (en) 2025-03-26
EP4035896A2 (en) 2022-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Load-dependent path planning method for 3D printing of continuous fiber reinforced plastics
US10967542B2 (en) Procedure and system for manufacturing a part made from composite material and part made from composite material obtained by means of said method
Such et al. Aligned discontinuous fibre composites: a short history
US6630093B1 (en) Method for making freeform-fabricated core composite articles
US20190061238A1 (en) Continuous fiber-reinforced component fabrication
CN101405129B (en) Composite structure, forming method and tridimensional preform
US20190106194A1 (en) Composite material structure and manufacturing method of composite material structure
US11383406B2 (en) Fibrous structure and 3D preform for a composite part
Wagmare et al. Additive manufacturing of continuous fiber-reinforced polymer composites: Current trend and future directions
CN106863835B (en) The forming method of hollow vehicle component and hollow vehicle component and automobile
CN108068319A (en) A kind of continuous fiber composite material increasing material manufacturing method
CN106275370A (en) Strengthen body parts and for manufacturing the method and apparatus strengthening body parts
Zhong et al. Meta-materials of re-entrant negative poisson’s ratio structures made from fiber-reinforced plastics: a short review
CN102786776A (en) Carbon fiber/aramid fiber reinforced resin base composite material and vehicle front anticollision beam prepared from same
CN102407615A (en) Light reinforced foam board and preparation method thereof
CN104129435A (en) Upper beam assembly made from hybrid fiber composite material for auto radiator and manufacturing method thereof
PL249474B1 (en) Method of producing composite elements with hybrid structure, a head for their production and a composite element with hybrid structure
US10093067B2 (en) Method of forming a carbon fiber layup
WO2019183064A1 (en) Multiple layer article with interactive reinforcements linear ribbon fiber reinforcement for composite forms
CN110355995B (en) A 3D printing molding method using continuous fibers, and target structures and applications formed therefrom
CN108025512B (en) Three-dimensional high-strength fiber composite component and method of making the same
US10967966B2 (en) Method of fabricating a rotor blade filler body, and a rotor blade filler body comprising at least one cellular assembly having closed cells
CN110341178A (en) A kind of composite fibre prepares dot matrix core material member forming process and device
CN115923125B (en) An integrated additive manufacturing method for foam sandwich structures, foam sandwich structures
LU506056B1 (en) Reinforced panel and reinforced apparatus